1060-T2-Q235爆炸焊接试验及数值模拟_代弦德.pdf

火工品INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：1003-1480（2023）01-0037-051060-T2-Q235爆炸焊接试验及数值模拟代弦德，李雪交，张廷赵，汪泉（安徽理工大学 化学工程学院，安徽 淮南，232001）摘要：为改善铝-钢爆炸焊接复合板的结合质量，以 T2 纯铜作为中间层、Q235 钢作为基板、1060铝作为复板进行了爆炸焊接试验，通过金相显微镜观察复合板界面形貌并通过拉伸试验测试其力学性能；采用 ANSYS/AUTODYN软件对爆炸焊接过程进行数值模拟。试验结果表明：1060-T2 与T2-Q235界面均呈波状结合；T2 铜中间层的引入减少了复合板结合界面的孔洞、裂纹等微观缺陷；1060-T2-Q235 爆炸焊接系统的复板动能利用率较 1060-Q235系统提高了3.01%；1060-T2-Q235复合板抗拉强度为319.2MPa，满足抗拉强度要求。数值模拟结果与试验结果具有较好的一致性。关键词：爆炸焊接；铝-钢；中间层；数值模拟；抗拉强度中图分类号：TJ45+9文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-1480.2023.01.008ExplosiveWelding Testand Numerical Simulation of 1060-T2-Q235DAI Xian-de,LI Xue-jiao,ZHANG Ting-zhao,WANG Quan(School of Chemical Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan,232001)Abstract：In order to improve the bonding quality of aluminum-steel explosive welding composite plate,the explosionwelding test was carried out with T2 pure copper as the intermediate layer,Q235 steel as the substrate and 1060 aluminum as theclad plate.The interface morphology of the composite plate was observed by metallographic microscope and its mechanicalpropertiesweretestedby tensiletest.ANSYS/AUTODYNsoftwarewasused tosimulatetheexplosiveweldingprocess.Thetestresultsshowthat 1060-T2andT2-Q235are waveformcombination;Copper interlayer reducesthemicrodefectssuchas holesandcracks at the bonding interface of the composite plate.The kinetic energy utilization rate of 1060-T2-Q235 explosive weldingsystem is 3.01%higher than that of 1060-Q235 system;The tensile strength of 1060-T2-Q235 composite plate is 319.2MPa,whichmeetsthetensilestrengthstandard.Thenumericalsimulationresultsareingoodagreementwiththetestresults.Keywords：Explosivewelding；Aluminum-steel；Interlayer；Numericalsimulation；Tensilestrength铝及铝合金因具有优秀的耐腐蚀、导热与导电性能，以及较高的比强度和良好的塑性，已成为众多行业不可或缺的材料1-2。钢具有强度高、韧性好、价格低等优点，但较差的耐腐蚀性导致其无法满足于特定领域的使用需求。采用爆炸焊接制备的铝-钢复合材料兼具 2 种金属材料的优良性能，在低温储氢容器、轨道交通感应板、高压电缆以及舰船制造领域有广泛应用3-4。但铝及铝合金的密度、抗拉强度和熔点等理化性质与钢有很大差异，导致铝-钢爆炸焊接复合板结合界面容易出现较多的脆性金属间化合物，影响复合板的长期使用性能5。研究表明在基板和复板间添加中间层可改善异种金属爆炸焊接复合板的结合质量。吴晓明等6在 5083 铝合金与 TA2 钛合金之间加入 1060 纯铝，爆炸焊接结合界面未发现金属间化合物等缺陷；王建民等7在 5083 铝合金与 Q235 钢之间加入 1060 纯铝，爆炸焊接制备的复合板具有良好的2023 年02 月收稿日期：2022-05-07作者简介：代弦德（1995-），男，在读硕士研究生，从事爆炸加工相关研究。通讯作者：李雪交（1986-），男，副教授，从事工业炸药与爆炸加工相关研究。基金项目：国家自然科学基金（No.11872002）。2023 年第1 期代弦德等：1060-T2-Q235 爆炸焊接试验及数值模拟382023 年第1 期结合质量。此外，由于铜具有优良的延展性，可与钢形成良好的焊接接头，从而降低焊接难度，因此，采用铜作为中间层有望改善铝-钢爆炸焊接复合板的结合质量。本文以 Q235 钢作为基板、1060 铝作为复板、T2纯铜作为中间层，采用爆炸焊接工艺制备了 1060-T2-Q235 复合板，通过金相显微镜观察复合板界面形貌，通过拉伸试验测试复合板力学性能，并使用ANSYS/AUTODYN 软件对爆炸焊接过程进行数值模拟，分析不同结合界面处的碰撞压力，以期为铝-钢复合材料的制备提供参考。1复合板制备1.1复合板材料与爆炸焊接试验装置采用爆炸焊接工艺制备 1060-T2-Q235 和 1060-Q235 复合板，试验装置如图 1 所示。2 种复合板的复板材料为 1060 纯铝，尺寸为 160mm100mm3mm；基板材料为Q235 钢，尺寸为 150mm100mm5mm。1060-T2-Q235 复合板中间层材料为 T2 纯铜，尺寸为160mm100mm1mm，中间层与复板和基板的间隙均为 4 mm。爆炸焊接试验装置采用蜂窝结构炸药，装药厚度为 12 mm，爆速为 2 400 ms-1，采用边缘起爆方式起爆。图1爆炸焊接试验装置Fig.1Explosiveweldingtestdevice1.2爆炸焊接参数爆炸焊接参数与焊接质量密切相关，只有处于焊接窗口内的参数才能获得良好的焊接质量。爆炸焊接的主要参数包括碰撞速度vp、碰撞点移动速度 vc和动态碰撞角，3 者中任意 2 个参数可在平面内组成可焊性区间，即爆炸焊接窗口。3 者符合以下关系8：当基板和复板为同种金属材料时，其碰撞速度下限 vpmin为9：式（2）中：Rm为金属材料的抗拉强度，Pa；为金属材料密度，kgm-3。当基板和复板为异种金属材料时，爆炸焊接窗口下限为10：式（3）（4）中：1和2分别为基板和复板的密度，kgm-3；c1和 c2分别为基板和复板的体积声速，ms-1；vpmin1和 vpmin2分别为基板和复板的碰撞速度下限，ms-1；pmin为基板和复板之间的最小碰撞压力，Pa。爆炸焊接窗口上限为11：式（5）中：Nw为经验系数，取 0.1；Tm为复板材料熔点，；为复板导热系数，Wm-1-1；Cp为复板材料热容，Jkg-1-1；h 为复板厚度，m。爆炸焊接窗口左极限为流动限，是保证金属射流产生的最小碰撞点移动速度，其公式为12：式（6）中：Rmmax为基板和复板中的最大抗拉强度，Pa；min为基板和复板中的最小密度，kgm-3。爆炸焊接窗口右边界对应声速限，为金属射流产生的极限碰撞点移动速度：焊接复板的碰撞速度为11：式（8）中：为爆炸产物多方指数；vd为炸药爆速，ms-1；M 为复板质量，kg；C 为炸药质量，kg。基板和复板材料参数见表 1，由此计算的 1060-Q235 爆炸焊接窗口如图 2 所示。表 1基板和复板材料参数Tab.1Materialparametersof baseplateand flyerplate材料密度/(kgm-3)抗拉强度 Rm/MPa材料声速 c/(ms-1)熔点Tm/导热系数/(Wm-1-1)热容Cp/(Jkg-1-1)Q2357 8504056 0001 4933855010602 7001206 300660204880 0.50.252max221pmpwcCT cvNvhc=|（5）minmaxmin20/cmvR=（6）max12min(,)cvcc=（7）-0.53222(1 2/)1116(1/)pdM CMvvM CC+=+|-+（8）（a）结构示意图（b）实物图复板中间层基板雷管炸药间隙柱地基2sin2ppvv=|（1）0.5minmpRv=|（2）()min1min1 12min2 2max 0.5,0.5pppvcvc=（4）minmin112211pvpcc=+|（3）火工品2023 年 02 月39图 21060-Q235 爆炸焊接窗口Fig.21060-Q235explosiveweldingwindow2试验结果与分析2.1复合板微观界面形貌分别从 1060-Q235 及 1060-T2-Q235 爆炸焊接复合板中心位置沿炸药爆轰方向切割金相试样，经不同目数砂纸及研磨膏打磨抛光后，采用金相显微镜观察2 组试样结合界面的微观形貌，如图 3 所示。图 3爆炸焊接复合板结合界面微观形貌Fig.3Microstructureof bondinginterfaceof explosiveweldedcompsiteplate由图 3（a）（b）可知，1060-Q235 结合界面呈平直状，这是由于铝和钢的波阻抗差异较大，且铝的密度较低，焊接过程中未能穿过界面深入到钢一侧。同时，在旋涡区出现了大量的铝-钢金属间化合物，且其内部存在较多孔洞。铝-钢金属间化合物具有较高的脆性，且热膨胀系数介于铝和钢之间，在其冷却过程中会产生应力集中，并在碰撞过程中松动，产生裂纹、孔洞等微观缺陷。由图 3（c）（d）可知，1060-T2-Q235 试样中，铝-铜界面与铜-钢界面均呈波状结合，结合质量良好，无明显裂纹、孔洞等微观缺陷。这是由于铜的硬度与熔点介于铝和钢之间，且具有良好的延展性。但铝-铜结合界面旋涡区存在少量金属间化合物，其形成主要与金属理化性质及结合界面的能量沉积有关10。1060-Q235 爆炸焊接过程可分为 3 个阶段：第 1阶段，炸药爆炸产生的能量部分转化为复板动能；第2 阶段，复板与基板高速碰撞，部分动能转化为基复板结合界面能量，包括金属塑性变形、熔化等能量；第 3 阶段，复板剩余动能转化为复合板的动能，复合板向地基碰撞，造成爆破振动、噪声等有害效应。忽略空气阻力等影响，根据动能定理及完全非弹性碰撞理论，其结合界面的动能耗散为8：式（9）中：mf为复板质量，0.129 6 kg；mb为基板质量，1.766 0 kg；vp为复板碰撞速度，589 ms-1。1060-T2-Q235 焊接过程可分为 4 个阶段：第 1阶段为炸药与复板的能量转化过程；第 2 阶段为复板与中间层碰撞，复板动能转化为复板-中间层结合界面能量和复板-中间层复合板的动能；第 3 阶段，复板-中间层组成的复合板向基板碰撞，部分动能转化为中间层-基板结合界面能量；第 4 阶段，复板-中间层剩余动能转化为复板-中间层-基板复合板的动能，并向地基碰撞，同时产生爆破振动与噪声等有害效应。根据式（9），由于中间层的质量远低于基板，复板-中间层界面的能量沉积大大降低，对于铝等较